電気回路ってどうゆう仕組みなの？

身の回りには電気製品があふれています。
トランジスタや抵抗やコンデンサが組み込まれて、なにやら動いているようです。
でも、実際はどうやって動いているのかまったく知りません。

これらの部品を組み合わせるとどういうことが起きて、電気回路が目的の作動をするのでしょうか？

電磁石とリレーを組み合わせたブザーなんかは、電気回路というより、機械部品に近い動きなので、どうゆうふうに動いているかは目で見て分かりますが、トランジスタを使った回路はどう動いているのですか？

どなたか簡単な例を挙げて、教えていただけないでしょうか？

以下のことでなくても構いませんが、作動の例を挙げると
（どんな例を挙げたら良いのか分かりませんが）
・電波を受信する
・信号を増幅する
・CDのレーザー反射を読み取る
などなど

抵抗は電流を流れにくくする
コンデンサは電気をためる
トランジスタは、小さな信号を増幅することができる
程度のことしか知りません。

No.5 回答者： sailor 回答日時： 2011/06/03 09:33

＃1の方がラジオを例に挙げているので、私もその例で説明したいと思います。

まず、コンデンサーが電気をためる原理ですが、一般にコンデンサーは向かい合った二つの絶縁された電極で構成されますが、この電極に電圧をかけると、それぞれの電極に静電気が溜まるようなイメージで溜まって行きます。電極が溜める量には制限があり、一杯になってしまうとそれ以上は溜めることは出来ません。そして、一定の電圧をかけた場合、コンデンサーが空の状態から一杯になるまで間は、一杯になるに従って電流の値が小さくなっていきます。一杯になるまでの間は電流が流れることになるのですが、この量は電極の面積に比例し、電極間の距離に反比例します。直流の電圧をかけたときはコンデンサーの内部が一杯になるまでの間電流が流れそれ以降は電流は流れなくなりますが、交流ではどうでしょう。交流では電極にかけられる電圧が常に変化しているため、常に電流が流れ続けるわけです。

先にも述べましたが、コンデンサーは内部に溜めた電気の量が増えるにしたがって流れる電流の量が減る特性があるため、ゆっくりとした変化ではコンデンサーの内部に溜まる電気の量は満タン近くまでの間で変化することになるため、電流は流れにくくなり、早い変化では空に近い状態で変化するためにたくさんの電流が流れることになります。

次にコイルですが、これは銅線などに絶縁被覆をつけて巻いただけのものですが、これにも電気を溜める性質があります。コイルに電圧をかけるとコイルはご存知のように電磁石になりますが、これは与えられた電力を磁力に変えていることになります。コイルに電圧をかけるのをやめるとコイルが発生した磁力が電圧に変換されます。これはコイルに対して磁石を近づけたり遠ざけたりするのと同じで、コイルに対して磁力の変化を与えると電圧が発生する発電機の原理と同じです。このことから、コイルも電気を溜める事ができるといえます。そして、コイルの溜められる電気の量も制限がありコイルの巻き数や芯になる材料の種類や大きさで決まります。コイルに電圧をかけたときに与えられた電力はまず磁力に変換されますが、コイルの作れる磁気の強さの限界に近づくにしたがって磁気に変換される量が減って行きます。コイルではコイルが元々持っている磁気の量が変化するとき変化させるために与えられた電圧とは逆向きの電圧（コイルに電圧をかけて電磁石にしておき電圧を切った場合、磁力の変化の向きが逆になるので、発生する電圧の極性も逆になる）が発生するので、磁力の変化が起こっている間は電流が流れにくくなります。これはコンデンサーと逆で早い変化の電流ほど流れにくく、遅いものほど流れやすくなります。

ここで下の図を見てください。コイルとコンデンサーが並列につながっているものにダイオードとイヤホンが付いていますが、これは最も単純なＡＭラジオの回路で一般にゲルマニュームラジオと呼ばれるものです。コンデンサーとコイルによる同調回路とダイオードによる検波回路に音を聞くためのイヤホンをつないだだけのものですが、これも立派にラジオを聴くことが出来ます。この回路の動作ですが、アンテナから入ってきた電流（ラジオの電波の周波数の交流信号）はコンデンサーとコイルの並列回路を通るわけですが、先に述べたようにコンデンサーは周波数が高くなる（変化が早い）ほど電流を通しやすくなり、コイルは逆の特性があり、これは溜められる電気の量についても同じです。コンデンサーやコイルに適当なものを選ぶと、この電気を溜めると吐き出すのタイミングが電波に周波数とちょうどあわせることが出来ます。するとその周波数ではコンデンサーに溜められた電気がはきだされるタイミングと、コイルに溜められた電気が吐き出（溜める）されるタイミングがちょうど一致しますが、コイルの吐き出すコンデンサーの吐き出す（溜める）電流の電流の向きが逆になるので、このコンデンサーとコイルの並列回路に流れる電流は打ち消されて、ほぼ０になるのでが、これを共振周波数といいます。それ以外の周波数ではこの共振現象は起こりませんので、下の回路では共振の起こる周波数の電波のみが、検波回路を経てイヤホンに伝わりその局の音だけが聞けるというわけです。共振周波数以外の電流はコイルまたはコンデンサーに流れて（簡単に言えばショートされた状態）になりイヤホンには届かないということです。

下の回路ではコンデンサーに斜めの線が書かれていますが、これは可変コンデンサーといって電気を溜める量（静電容量）を変化させることが出来るコンデンサーで、この値を変化させることで共振周波数を変化させラジオの選局をします。

ここでもうひとつ使われているダイオードですが、これは電流の方向を一方通行にする素子で、この図では上から下の向きにだけ電流が流れます。ＡＭの電波はラジオ局の周波数の電波を上下対象になるように音声電圧の波の形で強さを替えた波形になっています。したがって、共振回路でショートされずに出てきた電流は音声の波形のにあわせて強さが変る上下対象の交流電圧になっています。このままでは＋側と－側が打ち消されてしまい、音声電流を取り出せないので、ダイオードを使って＋側（－側でも良い）のみを取り出してイヤホンを鳴らしています。

出来るだけ専門用語を使わず、数式も使わずに説目したのですが、判りにくいかもしれませんね。

この回答へのお礼

回答ありがとうございました。

お礼日時：2011/10/20 09:53

No.4 ベストアンサー 回答者： komaas88 回答日時： 2011/06/03 09:25

NO.1です。

＞コイルの中で電流にどういうことが起き、さらにコンデンサの中でこういうことが起きているので、結果として、このように共振させることが出来るという風に、具体的に電流等がどうなっているかが知りたいのですが

共振という現象は、たとえば目に見える分かりやすい例でいけば、つるまきバネの共振現象があります。バネには（バネでなくても、多くの構造物が）それぞれ特有の共振周波数を持っていて、その周波数で揺すってやると比較的小さな力で勝手に振動をはじめ、振幅が大きくなって止まらなくなり、最後には折れて潰れたりします。それを防ぐために自動車のサスペンションなどの設計では逆巻きのバネを組合したりすることもあります。
共振というのは繰り返して加えられる外からの振動に対するそれ自身が振動体になっているものの抵抗力がゼロになる状況ですが、抵抗がゼロになるということは、それ自身の振動が極大に向かうということです。
ここでコイルとコンデンサーを並列に組み合わせた　LC回路　と言うものを考えて見ます。
これがなぜ振動体なのかというと、コイルにもコンデンサにも交流に対する抵抗がありますが、その抵抗の性質はまったく反対です。LC回路に電流が流れはじめるとコイルでは即逆向きに反発する力が生じ、コンデンサではいったんすとんとその電気を懐に収めます。電流が減っていくとコイルは逆に力を抜き、コンデンサは溜めた力を放出します。この両者の押したり引いたりというあ、うんの呼吸が振動になり、両者のそれぞれの固有の交流抵抗の組み合わせによって特にうまくいくタイミングというか周波数が共振周波数なのです。

そこへ供給する振動がお互いの掛け合いとぴたりと重なって、最高になれば、そこに”ウぉーん”とうなりをあげるような迫力で回路自体がエネルギーを発して振動そのものを何倍も増幅してみせるというわけです。

コイルの交流抵抗がなぜ起こるのかについて説明しますと、電流がコイルの線に流れるとそこに電界が生じ、ついでに磁界も生じます。コイルのような形でびっしりと巻かれてあると、そこに生じた磁界が、今度は逆に同じ導体内に逆の電界を起こして、それが反対方向の電流になります。これが交流抵抗と言うものです。
コンデンサは構造的に向かい合った電極を持っていて、そこに必要に応じて電流を電荷として一時的に溜められるわけです。
そういった構造が理解できれば電気も機械的、模式的、構造的に理解できるかもしれません。

ご参考になれば。

この回答へのお礼

回答ありがとうございました。

お礼日時：2011/10/20 09:52

No.3 回答者： nantokasensi 回答日時： 2011/06/03 09:17

これは、説明が大変だ(笑

とりあえず、部品について少し説明しておきます。

・抵抗は電流を流れにくくする

電流を流れにくくするという働きもありますが、必要な電圧・電流を作ったりする、という働きもあります。

例えば、10Vの電源に10Ωの抵抗を2つ直列に繋いだら、それぞれの抵抗には5Vずつの電圧が取り出せますよね？もし、2つの抵抗を2Ωと8Ωにしたら、2Vと8Vが取り出せるようになりますね。抵抗を3つ、4つと増やせばもっと色々な電圧が取り出せるでしょう。

さらに、10Ωの抵抗を2つ並列に繋いだら、それぞれの抵抗に1Aずつ電流が流れますね？
もし、2つの抵抗を2Ωと5Ωにしたら、5Aと2Aが流れます。抵抗の値や並列にする抵抗の数を変えると、いろいろな電流を取り出すことが出来ますね。

このように抵抗の値や直列接続や並列接続を複雑に組み合わせると、色々な電圧や電流を取り出すことができます。この複雑な組み合わせを考えるのが設計になります。

抵抗だけだと、面白い回路はできないので、トランジスタやダイオード、ICなどと組み合わせることになります。
例えば、このページの回路を見てください。（どの回路でもいいです。）
http://denk.pipin.jp/riron/densi/baias.html
真ん中にトランジスタがあって、周りに色々な抵抗、R、RCなどがありますね。この抵抗がトランジスタを上手に動作させるために必要な電圧や電流を作っているのです。


・コンデンサは電気をためる

コンデンサは、電気をためたり、はきだしたりする働きもあります。これを充電・放電といったりします。
分かり易くたとえると、コンデンサはコップのような容器で、そこに入れる水が電流（電気の元）ということになります。大きなコップ（大きなコンデンサ）には、たくさんの水（電気の元）を蓄えることが出来ます。
さて、ビールのジョッキ（大きなコップ）には、すぐに水をためたり、こぼしたりすることが出来ますが、ペットボトルの容器では、なかなか水が入らず、逆にこぼすのにも時間がかかってしまいます。なぜかといえば、飲み口が狭いからです。この「飲み口が狭い」というのは、抵抗にたとえられます。つまりコンデンサに、抵抗を取り付けたようなものです。
ビールのジョッキでもふたを閉めて、ストローを差し込めば（コンデンサに抵抗を繋げる）、水はたまりにくく、また、こぼすのにも時間がかかってしまいます。
このように、コンデンサと抵抗を組み合わせると、電圧や電流が必要な値になるまで時間がかかります。この時間差を応用すると、発振回路やリセット回路など色々な回路に応用されています。

コンデンサは、このほかに次のような性質もあります。
交流に対しては、インピーダンス（とりあえず、抵抗のようなものと思っててください。）が小さく、直流に対してはインピーダンスが大きくなります。
もう少し言うと、交流の周波数が低いとインピーダンスが大きく、大きな抵抗のような働きをし、交流の周波数が大きいとインピーダンスは小さく、小さな抵抗のような働きをします。ちなみに、コイルは逆になります。

ここのページの一番下を見てください。（下から2番目の回路図）
http://www.teu.ac.jp/tbcs/class/electronic/elec7 …
分かり易いのは、抵抗REとコンデンサCEの並列部分です。
このトランジスタ回路には、右にある直流電源と左にある交流信号の2種類が同時に加わっています。
しかし、この図では交流だけの説明をするために赤で訂正してあります。
抵抗REとコンデンサCEが並列に接続されていますが、先ほど言ったように、交流に対しては、コンデンサのインピーダンス（抵抗）が小さく、ほぼゼロと考えられるので、赤いまっすぐな線で短絡しています。
短絡してしまうと、その左にある抵抗REは、もう関係なくなるので赤で×印がつけられています。つまり、実際には、抵抗とコンデンサが並列に繋がっているのに、交流の動作で見ると、ただ線が繋がっているだけになるのです。
（ちなみに、直流だけの場合は、抵抗REだけになります。URLの少し上のほうにある図、直流分と青字で書いてあるところの図）

難しくなってしまったかもしれませんので、もっと簡単にたとえます。
コーヒーのフィルターと同じです。
コーヒー豆を紙のフィルターに入れ、お湯を注ぐと、コーヒー豆は粒が大きいので紙のフィルターを通過できず、お湯とコーヒー豆の成分だけが紙を通過してカップに注がれます。
これと同じ事を電気信号で行うのがフィルター回路です。
たとえば、信号は通過させて雑音は通過させないなど、色々応用されています。

・トランジスタは、小さな信号を増幅することができる

トランジスタは、増幅作用のほかにもスイッチング作用としても考えることが出来ます。
リレーをご存知でしたら、それと同じだと思ってください。
大きな違いは、リレーは機械的な接点（スイッチ、有接点）で、トランジスタは機械的でない接点（無接点）のスイッチとして働きます。
スイッチとして考えると、論理回路（AND回路、OR回路など）を作ることが出来、更に複雑に組み合わせると、カウンター回路や演算回路など複雑なICを作ることが出来、更に複雑にしていくとコンピューターまでたどり着くことになります。

コンデンサのところで書き忘れましたが、ある種のトランジスタ（C-MOS型）は、コンデンサのように電気を蓄えることも出来ます。電気を蓄えた状態を「１」、空っぽの状態を「０」という電気信号に置き換えれば、記憶装置としての働きを持たせることが出来ます。いわゆる半導体メモリです。

とても長くなりましたので、とりあえずここまでにしておきます。

この回答へのお礼

回答ありがとうございました。

お礼日時：2011/10/20 09:51

No.2 回答者： LEVELUP100 回答日時： 2011/06/03 08:04

マンガでわかる電子回路 [単行本]

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　価格設定が高めかもしれませんが、面白くて参考になると思います。
　購入が難しいなら地元の図書館で借りると良いでしょう。

　話の流れとしては、どちらも女の子が先生役の生徒に習うという展開です。



回路図なんか怖くない！－「招き猫」回路を読む
http://monoist.atmarkit.co.jp/fembedded/articles …

　ページの下にも関連記事があるので、そちらも参考にどうぞ。

この回答へのお礼

回答ありがとうございました。

図書館をのぞいてみます。

お礼日時：2011/10/20 09:50

No.1 回答者： komaas88 回答日時： 2011/06/03 07:52

ラジオについて説明を試みます。

放送曲のアンテナから音の波が高周波になって空中に飛び出した電波がラジオのアンテナ部分でわずかな電流の変化になります。それをラジオ回路のコイルとコンデンサの組み合わせと調整で共振させ、大きくしたところを更にトランジスタで大きくします。大きく（増幅）する理屈ですが、たとえば窓口でちらちらと千円札を出し入れすると、”それにつられて”沢山の人間が殺到してそばの金庫へ飛び込むというような構造になっています。このメカをトランジスタやら抵抗回路などで作っているわけです。そのほかに電波は高周波（交流より更に激しい波）なのでそのままでは音になりません。ので、その波の上だけを捕らえて均し、普通の音の波に戻します。これもダイオード（トランジスタの一種、一方向だけへ電気を送る性質）でやります。あとはその電気変化を磁石とかぴあぞ石などで音に戻して聴けるようにするわけです。

おわかりになっったでしょうか。

この回答へのお礼

回答ありがとうございました。
こんなに早く回答いただけると思っていませんでした。

回答の内容は大体分かりましたが、それをさらに具体的に教えていただきたいのです。
ラジオの仕組みとなると、大変なので、回答頂いた説明の中にある

たとえばですが
>それをラジオ回路のコイルとコンデンサの組み合わせと調整で共振させ
ということだけに絞って、具体的に教えていただきたいのですが。

コイルの中で電流にどういうことが起き、さらにコンデンサの中でこういうことが起きているので、結果として、このように共振させることが出来るという風に、具体的に電流等がどうなっているかが知りたいのですが、よろしくお願いいたします。

そのための、コンデンサがここにあり、抵抗がここに入れてあるなども知りたいのですが。

お礼日時：2011/06/03 08:03